煤矿地下水库安全保障与治理技术体系研究

煤矿地下水库安全保障与治理技术体系研究

引用格式：顾大达、能源金三角区域煤炭开采水源保护和利用技术[j]。煤炭工程，2014，46（10）：33-37。煤炭是我国的主体能源,长期占一次能源生产和消费的70%左右。我国煤炭资源“北多南少、西多东少、东深西旱”的总体分布格局,决定了煤炭开发战略西移是保障国家能源安全的必然要求。我国未来煤炭规划区大部分集中在煤炭资源丰富、但水资源短缺以及由于水资源匮乏导致生态环境脆弱的西部地区。晋陕蒙宁甘(即山西、陕西、内蒙古、宁夏和甘肃五省区)探明煤炭资源保有储量占全国的71.6%,2013年煤炭产量占全国总产量的71%以上,并呈继续增加趋势,是我国目前煤炭的主产区和调出区。但该地区水资源占全国水资源的3.9%,属重度缺水区,且常年蒸发量为降水量的6倍左右。已有的矿井水处置方法是为保障井下安全,将大量矿井水进行处理后外排地表,大量外排的矿井水因蒸发损失,使本已短缺的水资源更为短缺,且造成土壤盐碱化,矿区及周边环境沙漠化、荒漠化倾向严重,成为制约我国大型能源基地建设和煤炭资源开发战略西移的关键因素,进而可能影响我国能源安全。煤炭在保障国家能源安全和国民经济与社会发展需要的同时,其大规模开发也引发地表沉陷、水资源破坏等环境问题。据统计,我国每年仅因煤炭开采产生矿井水约80亿t,而利用率仅25%左右,煤炭开采中损失的矿井水资源相当于我国每年工业和生活缺水量的60%。保护和利用好矿井水是西部生态脆弱地区煤炭开发的重大课题,是煤炭科学开发的重要内涵,是支撑区域经济发展与生态环境协调的基础。神华神东矿区位于鄂尔多斯盆地,地处能源“金三角”核心,经20多年的开发建设,目前建成了以千万吨矿井为主体的世界唯一2亿吨级现代化矿区。但该地区生态环境脆弱,干旱少雨,年均降雨量约400mm,蒸发量高达2500mm左右。神东矿区煤层埋藏浅、煤层厚和薄基岩的赋存条件,适合规模化、高效率开发。而煤炭规模化开采往往导通含水层和隔水层,形成导水通道,导致地下水渗漏运移井下形成矿井水,为保证井下生产安全,传统方式是将矿井水排至地面进行处理后外排,但由于该地区蒸发量大,外排矿井水大量蒸发损失,同时造成地表土壤盐碱化。已有的保水方法与技术,如保水区域划分、隔水层修复、充填开采和限高开采等,均以“堵”和“截”为主,即设法堵截开采过程中地下水的运移,这些技术难以满足神东地区煤炭高产高效的生产需求。为保护西部矿区宝贵水资源,神华集团通过多年的持续研究,提出了煤矿地下水库储存与利用矿井水的理念和技术路线,采用系统工程理论,通过理论分析、物理模拟和数值模拟、物探和钻探、现场工程试验等方法,攻克了地下水库水量预测、库容确定、水库坝体设计与构筑、水库安全运行和水质的保障等技术难题,创建了煤矿地下水库技术体系,成功建设和运行了煤矿地下水库示范工程,实现了煤炭现代开采与矿井水资源保护相协调。1地下水资源保护与利用方法现有研究表明,已有的保水开采方法以“堵截”为主要特征,其目标是在煤炭开采过程中防治采场突水的同时,通过对隔水关键层的保护,使含水层免受煤炭开采的影响和破坏,即采用“堵”的策略,采用的工艺措施包括水源地保护、充填开采、保护隔水带或修复隔水带等方法,设法堵截开采过程中地下水的运移。但这些方法难以在西部地区煤炭大规模高效率开采中推广应用。而已有的矿井水处置方法造成西部高产高效矿区大量矿井水因外排蒸发损失问题非常突出。针对上述问题,经过不断的探索和研究,提出了采取“导储用”为手段的地下水资源保护与利用方法,即在掌握开采对水资源运移影响规律的基础上,将含水层的地下水疏导至采空区进行储存,并建设相应的水处理和抽采利用工程,对矿井水进行高效利用,达到疏导后矿井水不外排,避免蒸发损失的目的,实现地下水保护利用。在此基础上,相继研发了煤矿地下水库和煤矿分布式地下水库水资源保护利用技术,构建了煤矿地下水库技术体系。2种新的储水系数确定方法在“导储用”技术理念引导下,围绕煤矿地下水库水源预测、水库选址、库容计算、坝体构筑、安全监控和水质保障等六个技术难题,开展了数十项科技攻关项目,攻克了矿井水井下储存利用的一系列技术难题,创立了煤矿地下水库技术体系。1)建立了矿区涌水量和含水层厚度变化预测模型。采用地震、电法、地质雷达、现场钻孔和井下观测等方法,通过对神东矿区十余年来200余个钻孔观测数据、井下涌水量数据等进行分析,观测研究了采前、采中和采后地下水运移变化规律,建立了矿区含水层厚度变化模型,揭示了西部矿区基岩裂隙水是矿井水的主要来源。采用Q-S曲线法、相关系数法以及数值模拟的方法,建立了矿区涌水量预测模型;表明井下长期保持稳定涌水,为地下水库建设提供了水源保障。2)研发了煤矿地下水库选址方法和评价准则。研究提出了同煤层和不同煤层水库选址原则。根据断裂构造发育程度和工程规模将煤层底板隔水层划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构和松散结构四类,建立了煤矿地下水库单因素排除与多因素综合选址评价方法及评价准则,为煤矿地下水库选址提供了方法支撑。水库选址除考虑工程地质条件、水文地质条件等因素外,还应综合考虑矿井水运移规律、开采工艺、生产接续计划等因素,以便于水资源利用和回灌;优先布置在煤层底板岩层地形下凹处、渗透率低、无导水断裂带或不良地质条件的位置,且受下部和邻近煤层采动影响较小,并满足矿井生产安全、用水、调度等条件。3)发明了煤矿地下水库库容确定方法。通过模拟研究和现场试验等手段,建立了煤矿地下水库库容计算模型;首次提出了储水系数概念。煤矿地下水库储水系数主要取决于采空区岩体空隙率,由采后时间、岩层性质、开采工艺参数、冒落岩体块度及堆积方式、矿山压力等因素决定,具有随时间动态变化的特征,并逐步趋于稳定;建立了地下水库库容计算模型,见式(1),提出了与开采工艺参数、矿压、冒落岩体块度及堆积方式等有关的储水系数R的确定方法,并得到水库库容变化曲线(如图1和图2所示),建立了库容计算模型,通过模拟研究及现场实测得出了神东矿区R=0.25~0.35,据此求出矿区每年开采新增库容达4000万m3,为煤矿地下水库规划提供基础支撑。式中,V为储水量,m3;h为水位,m;θ为煤层倾角,(°);s(z)为随水位变化的储水面积,m2;R(z,t)为随时间和水位变化的储水系数。4)建立了坝体结构参数计算模型,研发了坝体构筑工艺。针对煤矿地下水库坝体非均质、非连续和变断面结构特征,且同时受水压、矿压和采动影响的组合作用,采用物理和数值模拟方法,分析了坝体的受力特征;建立了煤柱坝体厚度B和人工坝体厚度S计算模型(式2和式3),得出神东矿区煤柱坝体和人工坝体厚度分别为20~30m和1m左右,可满足安全和经济要求。式中,X0,X1为塑性区宽度,m;K1为调整系数;M为煤层厚度,m。式中,S为人工坝体厚度,m;F为坝体截面积,m2;τ为人工坝抗剪强度,MPa;L为槽体周长,m;P为坝体抗水压强度,MPa。针对煤柱坝体和人工坝体连接处强度薄弱实际,研发了先在煤柱上开槽,将人工坝体嵌入煤柱槽体并锚固注浆的技术,确保两种坝体的连接强度和抗渗性能;建立了掏槽深度E计算模型(式4),确定了掏槽深度为0.3~0.5m;采用系统优化设计方法,研发了板式、H型等人工坝体结构及筑坝方法(如图3所示)。式中,E为掏槽深度,m;K2为调整系数;P为坝体抗水压强度,MPa;L为槽体周长,m;δ为人工坝体和煤柱坝体抗压强度较小值,MPa。5)发明并应用了煤矿地下水库安全监控方法,建立了水库运行安全预警与控制系统。坝体结构安全是水库安全运行的关键,通过在地下水库煤柱坝体和人工坝体上设置安全监测传感器,对其抗压性能和防渗性能进行动态实时监控,建立了井下水体调运管道自动化控制系统;提出了坝体结构安全评价方法,建立了地下水库运行安全预警与控制系统,对坝体安全进行实时评估并进行预警,通过自动控制实现水体调运,保证各水库水位和水压在安全预警值范围内,保障了坝体安全。6)开发应用了煤矿地下水库水质“三位一体”处理技术,保障了水质满足井下与地面用水要求。模拟试验和现场观测表明:矿井水与地下水库冒落岩体的固液耦合具有过滤吸附和离子交换作用,能够有效降低水中悬浮物、钙离子和COD等污染物浓度。以大柳塔矿地下水库为例,入库前水库矿井水悬浮物含量为164mg/L,经过滤后悬浮物含量均小于5mg/L。在此基础上,开发了入库前沉淀池过滤→库内矸石自然净化→井下模块化矿井水处理三位一体技术,实现了库内水体自然净化与库外污染较重矿井水的井下处理,保障了矿井水高效资源化利用。3神东矿区地下水库煤炭资源回收情况煤矿地下水库技术已在神东、包头、新街等矿区推广应用。目前,神东矿区已在大柳塔矿等15个矿井应用地下水库技术,建成32座煤矿地下水库,储水量达3100万m3,并在大柳塔矿建成了首座煤矿分布式地下水库,实现了矿井水井下储存与利用。大柳塔煤矿分布式地下水库如图4所示。2011-2013年,神东矿区地下水库给矿区井下供水4000万m3,给地面供水4500万m3,累计节水8500万m3,因节水和减排矿井水节约费用新增利润15.91亿元;同时,应用地下水库技术提高了煤炭回收率,仅大柳塔矿就多回收煤炭1922.6万t,增加销售收入76.93亿元,增加利润38.45亿元;增加税收20.77亿元。2013年地下水库提供了神东矿区用水总量的95%以上,当年供水量超过3000万m3,不仅保障了世界唯一的2亿吨级矿区的生产、生活、生态用水,还给周边电厂(神华国能集团大柳塔电厂和上湾电厂)供水,并正在建设给煤制油项目的供水工程(日供水3.2万m3)。该成果开辟了煤炭开采水资源保护与利用新的途径和技术路径,实现了煤炭资源安全高效规模化开采与水资源保护利用的协调。国土资源部已将煤矿地下水库技术作为先进技术组织在全国推广应用。4煤矿水高效利用技术西部煤炭资源丰富,煤种齐全、煤炭产能高,是我国煤炭资源的富集区,但西部地区严重干旱缺水,生态环境脆弱。大规模、高强度的煤炭开采,对上覆岩层造成破坏,形成导水裂隙,地下水运移至井下形成矿井水。传统的保水策略,以“堵”和“截”为主,堵截开采过程中地下水的运移,在西部煤炭大规模